超高强alznmgcu合金的大应变变形行为分析【字数：10618】
超高强铝合金具有密度小、比强度高、塑性好和耐蚀性好的特点，在各种领域得以运用，从而人们对材料的性能提出了更高的要求。因此，对超高强铝合金的高温变形行为进行深入的研究具有重要的意义。本文对Al-Zn-Mg-Cu合金在温度为250℃~400℃，应变速率为5×10-5s-1~5×10-2s-1的条件进行高温拉伸实验，得到了在不同的变形条件下的真应力-真应变曲线，分析了Al-Zn-Mg-Cu合金的流变应力与温度、应变速率的关系，并建立了高温变形本构方程。研究发现，挤压态Al-Zn-Mg-Cu合金由α(Al)、长条状的晶粒、均匀分布于基体内的黑色细小的富铜颗粒(CuAl2)相和短棒状的η(Mg(Zn,Cu)2)相组成，沿法向的平均晶粒间距为48.84μm。热处理后铝合金的法向平均晶粒间距为48.16μm，晶粒无明显变化，第二相数量减少且晶界是η(MgZn2)相和η(MgZn)相的混合物。在温度为250℃下，当应变速率从5×10-5s-1升高到5×10-2s-1时，峰值应力从260MPa升高到435MPa。在应变速率为5×10-2s-1下，当温度从250℃升高到400℃时，峰值应力从435MPa降低到118MPa。表明Al-Zn-Mg-Cu合金的流变应力随着应变速率减小的和温度的升高而降低。在5×10-5s-1的应变速率下，温度升高，韧窝变得大而深。在350℃的温度下，应变速率减小，韧窝尺寸增大。铝合金高温拉伸的断裂方式为韧性断裂，微观特征表现为韧窝，断裂机制为微孔聚集型断裂。建立了能够描述超高强Al-12Zn-2.4Mg-1.1Cu合金流变应力与温度、应变速率关系的本构方程
Key Words: AlZnMgCu alloy; High temperature deformation behavior; Microscopic structure; Constitutive equations; Fracture morphology 目录
1.绪论 1
1.1课题的研究背景及意义 1
1.1.1课题的研究背景 1
1.1.2课题的意义 1
1.2 超高强AlZnMgCu合金 1
1.2.1铝及铝合金 1
1.2.2国外超高强铝合金的发展 2
1.2.3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
国内超高强铝合金的发展 2
1.2.4超高强铝合金关于RRA的研究 3
1.3超高强铝合金高温变形行为的研究现状 3
1.4本课题研究内容 4
2.实验材料及方法 6
2.1实验材料 6
2.2实验方法 6
2.2.1试样尺寸 6
2.2.2热处理 6
2.2.3显微组织表征 6
2.2.4高温拉伸实验 6
3. 高温变形行为 8
3.1铝合金的显微组织 8
3.2温度和应变速率对流变应力的影响 8
3.3断口形貌分析 10
3.3.1拉伸试样的特征 10
3.3.2断口形貌 11
3.4本章小结 13
4.Al12Zn2.4Mg1.1Cu合金的本构方程 15
4.1本构方程的建立 15
4.2本构方程的验证 18
4.3本章小结 19
5.结论 20
参考文献 21
致谢 23
1.绪论
1.1课题的研究背景及意义
1.1.1课题的研究背景
AlZnMgCu系超高强铝合金，在航空领域、兵器领域、机械制造领域、建筑领域和电子电气领域等广泛应用[13]。铝合金在很多领域代替了钢材，原因是铝型材更轻，而且表面处理方式有很多。另外，由于铝合金是一种具有密度小、比强度高、塑性好和耐蚀性好等优良综合性能的有色金属材料，各个国家对铝合金的研究都极其重视[46]。随着科技的发展，对应用于航空航天的AlZnMgCu系超高强铝合金的要求也随之越来越高。超高强铝合金构件的性能一旦下降甚至结构发生破坏，不仅会在经济上造成重大的损失，更甚至于导致灾难性的后果，所以对材料的安全可靠性能提出了更高的要求。
1.1.2课题的意义
喷射成形技术是一种快速凝固材料制备和成形的新工艺技术，该项技术克服了粉末冶金产品强度、韧性差和压模成本较高等缺点，在保证材料性能的前提下，可以增加合金元素的含量使材料获得更高的综合力学性能[7]。采用喷射成形方法制备的超高强铝合金需要通过挤压、轧制或者锻造等不同的塑性变形来获得优异的综合性能。由于合金化程度高且合金的加工性能低，如果温度和应变速率选择得不合适，在变形的时候很容易出现过烧甚至开裂的现象，严重影响铝合金的性能和应用。所以，对喷射成形超高强铝合金的高温变形行为展开更深入的研究对进一步提高超高强铝合金的综合性能有着非常重要的意义。
1.2 超高强AlZnMgCu合金
1.2.1铝及铝合金
铝是一种银白色的金属，质轻而且密度很小，接近于2700kg/m3，大概是铁密度的35%。铝的比强度很高；具有很好的耐大气腐蚀性，铝表面会生成一层致密的氧化铝薄膜而起到一个保护作用。铝的塑性很好，极易于加工。铝合金是在纯铝中添加某些合金元素、微量元素、杂质元素而形成的。铝合金具有密度小、导热和导电性好、色泽美观、耐腐蚀性好以及塑性和成形性好、没有低温脆性、没有磁性等优点[1]。正是因为具备了这些特点，所以铝合金的应用是特别广泛的，在门窗、餐具、汽车、电缆、建筑等都能看到铝合金的身影。而在这其中，AlZnMgCu合金在所有铝合金中的抗拉强度是最高的，所以也被称为超高强铝合金，这使得AlZnMgCu合金在这些领域中都有着极其重要的地位。
1.2.2国外超高强铝合金的发展
早在1932年的时候，德国的L. J.韦伯就提出了在AlZnMg合金中添加Cu以及少量的Mn，这就是最早的7xxx系铝合金，虽然铜元素和锰元素的加入可以在一定程度上改善抗应力腐蚀性能，但是经过研究发现这种合金仍然存在应力腐蚀开裂倾向的现象，所以并没有得到实际上的应用[2]。1939年，五十岚、北原在AlZnMgCu合金中加入Cr、Mn、Mo元素，开发出了具有高强度和高抗应力腐蚀性能的超优硬铝合金[24]。1943年，美国铝业公司开发出了第一款可以被应用的7xxx系合金，即7075合金，首次在B29型轰炸机上得以运用[2]。1954 年，美国学者在7075铝合金的基础上增加了Cu、Zn和Mg的含量，开发出了7178T6铝合金，它的强度更高，也因此得以应用在B707、B737和DC8客机上[45]。1969年，又在7075铝合金的基础上对相关元素的含量进行调整，所以研制出了7475铝合金[4]。1972年，美国铝业公司用Zr来取替Cr的方法，Zr可以提高合金的抗应力腐蚀性能和断裂韧性等，增加Zn和Cu的含量且减少了7075合金中的Fe和Si等杂质含量，开发出了强度和抗应力腐蚀性能更高的7050合金[6,8]。1978年，对7050合金的成分进行适当的调整，成功研制出了7150合金。20世纪90年代，美国铝业公司以7150合金为基础，再一次降低Fe、Si和Mn杂质含量，增加Zn/Mg的质量比，研制出了具有更好耐腐蚀性和更高断裂韧性的7055合金[9]。近年来，美国铝业公司又研制出了7085铝合金，7085铝合金具有强度高、抗应力腐蚀性高和淬透性高的特点[9]。而这些超高强铝合金都是在7075合金基础上发展的。
Key Words: AlZnMgCu alloy; High temperature deformation behavior; Microscopic structure; Constitutive equations; Fracture morphology 目录
1.绪论 1
1.1课题的研究背景及意义 1
1.1.1课题的研究背景 1
1.1.2课题的意义 1
1.2 超高强AlZnMgCu合金 1
1.2.1铝及铝合金 1
1.2.2国外超高强铝合金的发展 2
1.2.3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
国内超高强铝合金的发展 2
1.2.4超高强铝合金关于RRA的研究 3
1.3超高强铝合金高温变形行为的研究现状 3
1.4本课题研究内容 4
2.实验材料及方法 6
2.1实验材料 6
2.2实验方法 6
2.2.1试样尺寸 6
2.2.2热处理 6
2.2.3显微组织表征 6
2.2.4高温拉伸实验 6
3. 高温变形行为 8
3.1铝合金的显微组织 8
3.2温度和应变速率对流变应力的影响 8
3.3断口形貌分析 10
3.3.1拉伸试样的特征 10
3.3.2断口形貌 11
3.4本章小结 13
4.Al12Zn2.4Mg1.1Cu合金的本构方程 15
4.1本构方程的建立 15
4.2本构方程的验证 18
4.3本章小结 19
5.结论 20
参考文献 21
致谢 23
1.绪论
1.1课题的研究背景及意义
1.1.1课题的研究背景
AlZnMgCu系超高强铝合金，在航空领域、兵器领域、机械制造领域、建筑领域和电子电气领域等广泛应用[13]。铝合金在很多领域代替了钢材，原因是铝型材更轻，而且表面处理方式有很多。另外，由于铝合金是一种具有密度小、比强度高、塑性好和耐蚀性好等优良综合性能的有色金属材料，各个国家对铝合金的研究都极其重视[46]。随着科技的发展，对应用于航空航天的AlZnMgCu系超高强铝合金的要求也随之越来越高。超高强铝合金构件的性能一旦下降甚至结构发生破坏，不仅会在经济上造成重大的损失，更甚至于导致灾难性的后果，所以对材料的安全可靠性能提出了更高的要求。
1.1.2课题的意义
喷射成形技术是一种快速凝固材料制备和成形的新工艺技术，该项技术克服了粉末冶金产品强度、韧性差和压模成本较高等缺点，在保证材料性能的前提下，可以增加合金元素的含量使材料获得更高的综合力学性能[7]。采用喷射成形方法制备的超高强铝合金需要通过挤压、轧制或者锻造等不同的塑性变形来获得优异的综合性能。由于合金化程度高且合金的加工性能低，如果温度和应变速率选择得不合适，在变形的时候很容易出现过烧甚至开裂的现象，严重影响铝合金的性能和应用。所以，对喷射成形超高强铝合金的高温变形行为展开更深入的研究对进一步提高超高强铝合金的综合性能有着非常重要的意义。
1.2 超高强AlZnMgCu合金
1.2.1铝及铝合金
铝是一种银白色的金属，质轻而且密度很小，接近于2700kg/m3，大概是铁密度的35%。铝的比强度很高；具有很好的耐大气腐蚀性，铝表面会生成一层致密的氧化铝薄膜而起到一个保护作用。铝的塑性很好，极易于加工。铝合金是在纯铝中添加某些合金元素、微量元素、杂质元素而形成的。铝合金具有密度小、导热和导电性好、色泽美观、耐腐蚀性好以及塑性和成形性好、没有低温脆性、没有磁性等优点[1]。正是因为具备了这些特点，所以铝合金的应用是特别广泛的，在门窗、餐具、汽车、电缆、建筑等都能看到铝合金的身影。而在这其中，AlZnMgCu合金在所有铝合金中的抗拉强度是最高的，所以也被称为超高强铝合金，这使得AlZnMgCu合金在这些领域中都有着极其重要的地位。
1.2.2国外超高强铝合金的发展
早在1932年的时候，德国的L. J.韦伯就提出了在AlZnMg合金中添加Cu以及少量的Mn，这就是最早的7xxx系铝合金，虽然铜元素和锰元素的加入可以在一定程度上改善抗应力腐蚀性能，但是经过研究发现这种合金仍然存在应力腐蚀开裂倾向的现象，所以并没有得到实际上的应用[2]。1939年，五十岚、北原在AlZnMgCu合金中加入Cr、Mn、Mo元素，开发出了具有高强度和高抗应力腐蚀性能的超优硬铝合金[24]。1943年，美国铝业公司开发出了第一款可以被应用的7xxx系合金，即7075合金，首次在B29型轰炸机上得以运用[2]。1954 年，美国学者在7075铝合金的基础上增加了Cu、Zn和Mg的含量，开发出了7178T6铝合金，它的强度更高，也因此得以应用在B707、B737和DC8客机上[45]。1969年，又在7075铝合金的基础上对相关元素的含量进行调整，所以研制出了7475铝合金[4]。1972年，美国铝业公司用Zr来取替Cr的方法，Zr可以提高合金的抗应力腐蚀性能和断裂韧性等，增加Zn和Cu的含量且减少了7075合金中的Fe和Si等杂质含量，开发出了强度和抗应力腐蚀性能更高的7050合金[6,8]。1978年，对7050合金的成分进行适当的调整，成功研制出了7150合金。20世纪90年代，美国铝业公司以7150合金为基础，再一次降低Fe、Si和Mn杂质含量，增加Zn/Mg的质量比，研制出了具有更好耐腐蚀性和更高断裂韧性的7055合金[9]。近年来，美国铝业公司又研制出了7085铝合金，7085铝合金具有强度高、抗应力腐蚀性高和淬透性高的特点[9]。而这些超高强铝合金都是在7075合金基础上发展的。
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